Ogrzewanie energią słoneczną

Zeszyt fachowy – Ogrzewanie energią słoneczną
2/3
Spis treści
1Wprowadzenie
4
1.1
1.2
1.3
1.4
Ciepło słoneczne
Energia użyteczna
Promieniowanie całkowite
Energia promieniowania
5
5
6
7
2
Dane techniczne kolektorów
8
2.1
2.2
2.3
Oznaczenia wielkości
– Powierzchnia brutto kolektora
– Powierzchnia absorbera
– Powierzchnia apertury
Sprawność kolektora
Charakterystyki kolektorów
8
8
8
8
9
9
3. Kolektory słoneczne Viessmann
10
3.1
3.2
3.3
3.4
10
12
12
13
14
14
16
16
17
18
Rodzaje kolektorów
Kolektory próżniowe rurowe
– Vitosol 300-T
– Vitosol 200-T
Kolektory płaskie
– Vitosol 300-F / 200-F / 100-F
Montaż kolektorów
– Ustawienie kolektora
– Miejsca zacienione
– Mocowanie
4.Zastosowania
20
4.1 Pomoce do projektowania
20
– Przeglądarka schematów firmy Viessmann
20
– Podręcznik schematów firmy Viessmann
20
– ESOP
21
4.2 Podstawy projektowania
21
– Wskaźnik pokrycia solarnego
21
4.3 Instalacja do podgrzewania ciepłej wody użytkowej 22
– Zapotrzebowanie c.w.u.
22
– Pojemność podgrzewacza c.w.u.
23
4.4 Instalacja do wspomagania ogrzewania
24
– Zapotrzebowanie na ciepło w lecie
25
– Zintegrowane ogrzewanie Vitosolar 300-F
26
– Wymagania wobec instalacji ogrzewania
26
4.5Baseny
27
– Baseny odkryte bez konwencjonalnego ogrzewania
27
– Podgrzewane baseny odkryte
27
5
Porady praktyczne
5.1Dogrzewanie
5.2 Przyłączenie cyrkulacji
5.3 Bezpieczne postępowanie na wypadek stagnacji
5.4Odpowietrzanie
5.5 Układ regulacji
28
28
29
29
30
31
1 Wprowadzenie
B.1 ...
Wytwarzanie ciepła z wykorzystaniem
energii słonecznej
Wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania
Wykorzystanie energii słonecznej nie jest bynajmniej odkryciem ery nowożytnej. Od zarania dziejów ludzkości w lecie wygrzewamy się
na słońcu bezpośrednio, a w zimie korzystamy
z energii słonecznej, jaka jest zmagazynowana w roślinach. Drewno, węgiel, olej lub gaz
ogrzewają nasze budynki i ogrzewają wodę
do mycia.
Zasoby paliw, które natura zgromadziła przez
miliony lat, nie są jednak nieograniczone. Ich
ilość zmniejsza się, co z kolei prowadzi do
wzrostu cen paliw i energii. Branża techniki
grzewczej konsekwentnie pracuje nad rozwiązaniami, których celem jest umożliwienie
odpowiedzialnego obchodzenia się z zasobami
naturalnymi oraz zapewnienie, aby dostawy
ciepła również i w przyszłości mogły być realizowane po przystępnych cenach.
Ważnym wkładem w oszczędne obchodzenie
się z surowcami jest bezpośrednie wykorzystywanie energii słonecznej za pomocą
kolektorów. Przy czym, ekonomiczne wykorzystanie energii słonecznej nie jest już dzisiaj
żadną wizją przyszłości. Od dawna jest możliwe w wyniku stosowania technicznie wysokiej klasy kolektorów i dopasowanych do nich
całych systemów. Inwestycje w tę technologię są opłacalne ekonomicznie i ekologicznie.
Świadomość ta znajduje też coraz większe
poparcie w społeczeństwie.
4/5
Słońce ma prawie pięć miliardów lat i będzie
istnieć jeszcze kolejnych pięć miliardów lat.
Jest ono szczególnie silnym źródłem promieniowania, ponieważ na jego powierzchni panuje temperatura wynosząca prawie 5 500ºC.
W ciągu dnia z każdego metra kwadratowego
powierzchni Słońca wypromieniowywana jest
ilość energii równa 1 512 000 kWh, co odpowiada energii, jaką można uzyskać spalając
ponad 150 000 litrów oleju opałowego.
Z naszego punktu widzenia aktywność
słoneczna nie jest jednak żadną wielkością
stałą. Moc promieniowania zmienia się wraz
z upływem dnia i zmianą pór roku. W okresie
od marca do września półkula północna jest
bardziej skierowana w stronę Słońca, półkula
południowa zaś od września do marca. Dlatego dni na półkuli północnej są w lecie dłuższe
niż w zimie. Im dalej będziemy przemieszczać
się w kierunku północnym, tym dni będą
dłuższe (w lecie) lub krótsze (w zimie). I tak
np. w Sztokholmie dzień 21 czerwca ma długość 18 godzin i 38 minut, natomiast w Madrycie tylko 15 godzin i 4 minuty.
il. 1.1 Relacja pomiędzy Słońcem i Ziemią
1.2 Energia użyteczna
Ponieważ Słońce oddalone jest od Ziemi około 150 milionów kilometrów, ta ogromna moc
promieniowania zmniejsza się po drodze do
tego stopnia, że możliwe jest życie na naszej
planecie. Przeciętna energia promieniowania,
jaka dociera do najdalej wysuniętych granic
atmosfery ziemskiej, wynosi 1 367 W/m2.
Wartość ta określana jest mianem stałej słonecznej.
1,4 mln km
Słońce
Ziemia
63 000 kW
na m²
1,367 kW
na m²
150 mln km
il. 1.2 Ruch Ziemi wokół Słońca
Oś orbity Ziemi
23,5°
23,5°
nik
rot
zw a
k
Ra
nik
Rów
nik
Rów
nik a
c
rot
zw ioroż
z
Ko
21 grudzień
21 czerwiec
13 000 km
1.1 Ciepło słoneczne
Słońce będzie przez długi czas niezawodnym
źródłem energii, jaka jest do dyspozycji ludzkości. Ale mimo, iż istnieją dopracowane możliwości techniczne wykorzystywania Słońca
jako źródła energii do wytwarzania ciepła na
co dzień, to jednak w znacznym stopniu nie
znajdują one jeszcze powszechnego zastosowania.
1 Wprowadzenie
Przykład: Würzburg jest położony
il. 1.3 Droga Słońca
na 49,7º północnej szerokości
21.6.
63,8°
geograficznej. W dniu 21 czerwca
Zenit
w południe promienie słoneczne
padają na Ziemię pod kątem 63,8º.
W południe 21 grudnia kąt ten wynosi tylko 16,8º.
21.3./23.9.
40,3°
21.12.
16,8°
Północ
Południe
Wschód Słońca
w Würzburgu
godz. 8:14
godz. 6:24
1.3 Promieniowanie całkowite
Dla wykorzystania energii słonecznej interesujące jest pytanie, jak dużą część promieniowania słonecznego można faktycznie
wykorzystać. Z uwagi na wpływ atmosfery,
z wynoszącej 1 367 W/m2 mocy promieniowania (stała słoneczna), na powierzchnię Ziemi
dociera maksymalnie około 1 000 W/m2.
godz. 5:11
Wschód
Kąt padania promieni słonecznych zmienia
się w ciągu roku w zależności od pory roku
i szerokości geograficznej. Latem promienie
padają na półkulę północną Ziemi pod wyraźnie większym kątem niż w zimie. Niezależnie
od pory roku obowiązuje też zasada: im dalej przemieszczamy się na półkuli północnej
w kierunku południowym, tym wyżej znajduje
się Słońce w południe na niebie, a więc tym
większy jest kąt padania promieniowania.
Część promieniowania, która przy bezchmurnym niebie dociera do powierzchni Ziemi, nazywana jest promieniowaniem bezpośrednim.
Jeśli światło słoneczne musi przebijać się
przez chmury, ulega rozproszeniu i wówczas
mówimy o promieniowaniu rozproszonym.
Sumę promieniowania rozproszonego i bezpośredniego określamy mianem promieniowania
całkowitego.
il. 1.4 Wpływ atmosfery
Promieniowanie
słoneczne
Stała słoneczna 1367 W/m2
Atmosfera
Odbicie od chmur
Rozproszenie
przez atmosferę
Absorpcja
przez atmosferę
Dyfuzja promieni
Odbicie od Ziemi
Promieniowanie
bezpośrednie
6/7
il. 1.5 Promieniowanie słoneczne
6000
Promieniowanie całkowite [Wh/(m2·d)]
To, jak duże będzie zredukowanie promieniowania w wyniku oddziaływania atmosfery,
zależy również od kąta padania promieni
słonecznych. Im mniejszy kąt padania, tym
dłuższa jest droga przez atmosferę ziemską.
Najkrótszą drogę promienie słoneczne przebywają, jeśli promieniowanie pada pod kątem
prostym (= 90º). Zjawisko to nie występuje
jednak w naszych szerokościach geograficznych, tylko na obszarze pomiędzy zwrotnikiem
północnym i południowym.
4000
Promieniowanie bezpośrednie
2000
Promieniowanie rozproszone
0
Sty
Lut
Mar
Kwi
Maj
Cze
W półroczu letnim średnie sumy dzienne promieniowania
1.4 Energia promieniowania
Dla wykorzystania energii słonecznej interesująca jest energia promieniowania, zmierzona na zdefiniowanej powierzchni. Wartość ta
nazywana jest natężeniem promieniowania
i wyraża się w określonej mocy przypadającej na daną powierzchnię.
Natężenie promieniowania podawane jest
w jednostce Watt na metr kwadratowy
(W/ m2) i może być bardzo różne. Przy silnie zachmurzonym niebie wynosi ono około
50 W/ m2, natomiast przy czystym niebie jego wartość dochodzi do 1 000 W/m2.
całkowitego wyraźnie przekraczają wartość 3 kWh na metr
kwadratowy.
il. 1.6 Promieniowanie całkowite w Polsce
Dla obliczenia, jaka ilość promieniowania
słonecznego faktycznie zamieniana jest w
energię cieplną, trzeba uwzględnić czas trwania promieniowania. Energia ta jest iloczynem
mocy i czasu, jednostką jej miary jest watogodzina (Wh). Energia promieniowania całkowitego podawana jest w sumach dziennych,
miesięcznych i rocznych. Maksymalne sumy
dzienne wynoszą w lecie ok. 8 kWh/m2. Ale
nawet w słoneczny dzień zimowy wartość ta
może wynosić do 3 kWh/m2.
Uśrednione sumy roczne promieniowania
całkowitego (w kWh/(m2 × a), gdzie „a”
oznacza rok) wynoszą w Polsce między 950
a 1 050 kWh/(m2 × a) (średnia długoterminowa). Poszczególne sumy miesięczne energii
promieniowania całkowitego mogą odbiegać
od wartości średniej nawet o 50 procent, poszczególne sumy roczne do 30 procent.
[kWh/m2·rok]
Lip
Sie
Wrz
Paź
Lis
Gru
2 Dane techniczne kolektorów
il. 2.1 Nazwy powierzchni
A
B
A Powierzchnia absorbera
B Powierzchnia apertury
C
Powierzchnia brutto kolektora
B
A
C
C
Przy podawaniu wielkości kolektora decydujące jest, do której powierzchni odnosi się miara.
Dane techniczne kolektorów
Dla maksymalnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego i właściwego zaprojektowania instalacji solarnej, ważne są parametry pracy i efektywność kolektorów.
2.1 Oznaczenia wielkości
Wielkościami odniesienia w zakresie danych
dotyczących wydajności lub uzysku energii
w przypadku kolektorów są trzy różne dane
dotyczące powierzchni:
Powierzchnia brutto kolektora
Powierzchnia brutto wynika z wymiarów
zewnętrznych kolektora, a więc z długości × szerokość krawędzi zewnętrznych.
Wartość ta jest ważna dla planowania montażu i potrzebnej powierzchni dachu. Powierzchnia brutto kolektora jest też często decydującym czynnikiem w przypadku ubiegania się
o dotację.
Powierzchnia absorbera
Powierzchnia absorbera odnosi się wyłącznie
do absorbera, przy czym mierzona jest tylko
aktywna powierzchnia kolektora. W przypadku absorberów płytowych nie wlicza się zakładek poszczególnych pasków, ponieważ strefy
zakryte nie należą do powierzchni aktywnej.
W przypadku absorberów okrągłych liczy się
cała powierzchnia absorbera, również jeśli
określone strefy nie są wystawione na bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Dlatego
powierzchnia absorbera okrągłego może być
większa od powierzchni brutto kolektora.
Powierzchnia apertury
Mianem powierzchni apertury określa się
z reguły otwór kolektora zakryty płytą szklaną, przez który może wnikać promieniowanie
słoneczne. W przypadku kolektorów próżniowych rurowych z płaskimi absorberami,
powierzchnia apertury jest iloczynem średnicy wewnętrznej i długości rury szklanej.
Powierzchnia apertury jest ogólnie przyjętą
wielkością odniesienia dla oceny sprawności
kolektora.
8/9
2.2 Sprawność kolektora
Sprawność kolektora określa, jaki udział
promieniowania słonecznego zamieniany
jest w użyteczną energię cieplną.
il. 2.2 Przepływy energii w kolektorze
Podstawą obliczenia tej wartości jest część
promieniowania, która pada na powierzchnię apertury (patrz strona 8). Ze stosunku
pomiędzy promieniowaniem padającym na
powierzchnię apertury i energii promieniowania, która dociera do absorbera i może być
zamieniona w ciepło, wylicza się sprawność
optyczną, którą oznacza się η0 (wymawia się:
eta zero). Jeżeli kolektor zostanie podgrzany
przez promieniowanie słoneczne, wtedy przekaże część ciepła do otoczenia – w wyniku
zjawiska przewodzenia ciepła przez materiał
z jakiego jest wykonany kolektor, promieniowania cieplnego (odbicie) i ruchu powietrza
(konwekcja). Straty te określane są przy pomocy współczynników straty ciepła k1 i k 2
oraz różnicy temperatur ΔT (wymawia się:
delta T) pomiędzy absorberem i otoczeniem.
Różnicę temperatur podaje się w K (= Kelwin).
A
A
B
B
CC
H
G
Szkło
D
E
Absorber
Obudowa kolektora
z izolacją cieplną
F
A
Promienie padające na kolektor
E
Podgrzanie absorbera przez
energię promieniowania
Straty optyczne
Straty termiczne
B
Odbicia na szybie szklanej
C
Absorpcja na szybie szklanej
D
Odbicie na absorberze
F
Przewodzenie ciepła przez materiał
kolektora
G Promieniowanie cieplne absorbera
H Konwekcja
2.3 Charakterystyki kolektorów
Wydajność kolektora zależy od jego stanu
pracy. Im większa jest różnica pomiędzy
temperaturą wewnętrzną kolektora a temperaturą zewnętrzną, tym wyższe są jego
straty termiczne. A więc zmniejsza się także
sprawność. Przy braku odbioru ciepła z kolektora (pompa nie pracuje i w instalacji nie krąży
czynnik solarny), nagrzeje się on do tak zwanej temperatury stagnacji.
W takim przypadku straty termiczne są tak
samo duże jak otrzymana energia promieniowania, sprawność kolektora jest równa zeru.
Dostępne w sprzedaży kolektory płaskie
firmy Viessmann mogą osiągnąć latem temperaturę stagnacji ponad 200ºC, a próżniowe około 300ºC.
Do wytwarzania ciepła nie może być wykorzystana cała ilość promieniowania słonecznego, jaka
dociera do kolektora (straty optyczne). Z ciepła wytworzonego w kolektorze niewielka jego ilość
jest tracona (straty termiczne).
il. 2.3 Charakterystyki sprawności kolektorów
0,9
0,8
0,7
0,6
Sprawność
Sprawność optyczna i współczynniki strat są
kluczowymi parametrami kolektora. Określa
się je wg metody opisanej w normie europejskiej EN 12975 i następnie są one podawane w danych technicznych urządzeń.
Kolektor próżniowy
rurowy
0,5
0,4
0,3
0,2
Kolektor płaski
0,1
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Różnica temperatur (K)
Wraz z rosnącą różnicą temperatur między kolektorem a otoczeniem, kolektor próżniowy wyraźnie pokazuje
swoje zalety – wyższa sprawność.
3 Kolektory słoneczne Viessmann
Kolektory słoneczne Viessmann
Dla instalacji solarnej decydujący jest długi okres jej użytkowania. Dlatego musi ona być
wykonana z niezawodnych i dopracowanych komponentów. W kolektorach słonecznych
firmy Viessmann zawarte są doświadczenia ponad 30 lat.
3.1 Rodzaje kolektorów
Pomijając niektóre specjalne rozwiązania
techniczne stosowane są głównie kolektory,
w których krąży czynnik solarny transportujący ciepło. Z reguły chodzi tutaj o mieszaninę
składającą się z wody i glikolu (środka przeciw
zamarzaniu). Solarny czynnik grzewczy pobiera ciepło jakie wytworzył absorber (pochłaniając promieniowanie słoneczne) i transportuje
do odbiornika ciepła, np. podgrzewacza wody
użytkowej. Proces ten jest taki sam w przypadku wszystkich typów kolektorów. Główna
różnica pomiędzy kolektorami polega na rodzaju izolacji zapobiegającej stratom ciepła.
10/11
W przypadku kolektorów płaskich absorber
jest z reguły dobrze chroniony przed wpływami warunków atmosferycznych, przez
obudowę z powlekanej blachy stalowej, aluminium lub stali nierdzewnej oraz przykrycie
przeźroczyste wykonane z bezpiecznego szkła
solarnego o niewielkiej zawartości żelaza.
Dodatkowo, antyrefleksyjna powłoka szkła
(AR), redukuje zjawisko odbijania się promieni
słonecznych od szyby. Przed nadmierną utratą
ciepła chroni kolektor izolacja cieplna jego
obudowy. W przypadku dużych różnic pomiędzy temperaturą w kolektorze a otoczeniem
jakość izolacji cieplnej ma decydujący wpływ
na wydajność kolektora.
W kolektorze rurowym absorber jest – podobnie jak w termosie – osadzony w rurze szklanej, w której panuje próżnia. Próżnia posiada
bardzo dobre właściwości termoizolacyjne,
dlatego straty ciepła są mniejsze niż w przypadku kolektorów płaskich. Jest to szczególnie korzystne przy niskich temperaturach
zewnętrznych, a więc zwłaszcza w warunkach
eksploatacyjnych, jakie są zazwyczaj spotykane na przykład w instalacjach solarnych wspomagających ogrzewanie budynku.
Warunkiem wysokiej niezawodności i długiego okresu użytkowania kolektorów próżniowych rurowych jest dobre uszczelnienie rur.
W przypadku kolektorów Viessmann jest to
zagwarantowane. Nieuniknione, minimalne ilości gazu, które jednak dostają się do rur (głównie wodoru), wiązane są za pomocą cienkiej
warstewki baru („pochłaniacz gazów”), która
jest naparowywana na wewnętrzną stronę
rury.
il. 3.1
Vitosol 300-F / Vitosol 200-F
Wydajne, trwałe i łatwe w montażu
kolektory płaskie.
il. 3.2
Vitosol 100-F
Wydajny i trwały kolektor płaski
w atrakcyjnej cenie
il. 3.3
Vitosol 300-T
Kolektor próżniowy rurowy z technologią „Heatpipe” dla zapewnienia
najwyższej efektywności i niezawodności eksploatacji.
il. 3.4
Vitosol 200-T
Kolektor próżniowy rurowy zbudowany na zasadzie rurki cieplnej
(heat pipe) do montażu w dowolnym
położeniu.
3 Kolektory słoneczne Viessmann
3.2 Kolektory próżniowe rurowe
Kolektory próżniowe rurowe różnią się
przede wszystkim sposobem pracy. Solarny
czynnik grzewczy przepływa bezpośrednio
przez kolektor, albo działają na zasadzie rurki
cieplnej (heat pipe). W przypadku kolektorów
o przepływie bezpośrednim czynnik grzewczy
przepływa bezpośrednio przez rury absorbera
wewnątrz rur szklanych. W rozwiązaniu „­heat
pipe” czynnik grzewczy (płyn w instalacji
solarnej), nie przepływa bezpośrednio przez
rury próżniowe kolektora. W rurach próżniowych znajduje się czynnik roboczy, którym
najczęściej jest woda pod niskim cieśnieniem,
W rurce cieplnej (heat pipe), umieszczonej
pod absorberem, woda odparowuje już przy
temperaturze 30°C odbierając ciepło z absorbera. Na górnym końcu każdej rury próżniowej
kolektora, para skrapla się w tzw. kondensatorze (skraplaczu), przekazując ciepło czynnikowi
grzewczemu krążącemu w instalacji solarnej
(patrz rys. 3.4).
Vitosol 300-T
Bardzo wydajny kolektor próżniowy rurowy
Vitosol 300-T ustawiany jest zawsze pod kątem nachylenia > 25º. Dzięki temu kondensatory mogą mieć o wiele większą średnicę niż
rura absorbera. Z uwagi na dobre przenoszenie ciepła możliwe są bardzo wysokie wydajności. Szczególnie wysoki poziom bezpieczeństwa eksploatacji zapewnia połączenie „na
sucho” rurek cieplnych w przewodzie zbiorczym (a więc nie ma bezpośredniego kontaktu
pomiędzy czynnikiem grzewczym w instalacji
solarnej a roboczym w rurach próżniowych),
oraz niewielka ilość cieczy w kolektorze.
Najważniejsze cechy techniczne kolektora
Vitosol 300-T:
• Bardzo skuteczna izolacja cieplna
• Połączenie „na sucho”
• Dwururowy wymiennik ciepła Duotec
• Możliwość obracania każdej rury próżniowej i optymalne ustawienie absorbera
• Łatwa wymiana rur próżniowych,
bez konieczności opróżniania instalacji
• Absorber pokryty powłoką
o wysokiej selektywności
• Wysokowartościowe szkło
o niewielkiej zawartości żelaza
Kolektory z rurką cieplną mają tę zaletę, że
zapewniają pewny odbiór ciepła w kolektorze
i umożliwiają projektowanie prostych instalacji. Od chwili wprowadzenia specjalnych
kolektorów „heat pipe”, które można montować również w pozycji poziomej. Viessmann
oferuje już tylko kolektory próżniowe rurowe
z techniką „heat pipe”.
il. 3.5 Wysokiej wydajności kolektor próżniowo-rurowy Vitosol 300-T
1
1
2
2
3
4
3
4
5
6
5
6
7
7
Izolacja cieplna o wysokiej
skuteczności
Połączenie „na sucho” bez
bezpośredniego kontaktu nośnika
ciepła i czynnika solarnego
Dwururowy wymiennik
ciepła Duotec
Prosta wymiana i możliwość
obracania rur kolektora
Absorber pokryty powłoką
o wysokiej selektywności
Wysokowartościowe szkło
o niskiej zawartości żelaza
Heatpipe (rurka cieplna)
12/13
Vitosol 200-T
Tworząc kolektor próżniowy rurowy Vitosol 200-T firma Viessmann połączyła wysokie bezpieczeństwo eksploatacji kolektora
z rurką cieplną „heat pipe”, z możliwością
montażu kolektora w dowolnym położeniu.
Vitosol 200-T może być montowany w pozycji
pionowej i poziomej, pod każdym dowolnym
kątem w zakresie od 0 do 90 stopni i w takim
samym stopniu nadaje się do instalacji prywatnych jak i przemysłowych.
Najważniejsze cechy techniczne:
• Izolacja cieplna o wysokiej skuteczności
• Połączenie „na sucho”
• Dwururowy wymiennik ciepła Duotec
• Prosta wymiana i możliwość obracania rur
• Absorber pokryty powłoką
o wysokiej selektywności
• Wysokowartościowe szkło
o niskiej zawartości żelaza
• Możliwość montażu w pozycji poziomej
Prosty montaż
Podczas montażu szybkie łączenie pojedynczych kolektorów umożliwiają sprawdzone
w praktyce, wykonane ze stali nierdzewnej
złącza wtykowe z rur falistych.
Poszczególne rury próżniowe kolektora można poprzez przekręcanie ustawić optymalnie
wzdłuż osi podłużnej w kierunku Słońca.
Kolektory o powierzchni do 15 m2 można łączyć ze sobą tworząc pole kolektorów (baterię
kolektorów).
il. 3.6
Ułożone poziomo kolektory próżniowe rurowe Vitosol 200-T
z absorberami ustawionymi w kierunku Słońca.
il. 3.6 Kolektor próżniowy do montażu w dowolnym położeniu Vitosol 200-T
1
4
2
3
5
1
Obudowa rury zbiorczej
4
Absorber
2
Izolacja cieplna
5
Heatpipe (rurka cieplna)
3
Dwururowy wymiennik ciepła Duotec
Nagrzana przez Słońce woda odparowuje we wnętrzu rurki cieplnej (heat pipe). W najzimniejszym miejscu,
w kondensatorze Duotec, para ulega skropleniu i przekazuje przy tym energię czynnikowi krążącemu w instalacji solarnej. W wyniku powstającego w ten sposób niższego ciśnienia para stale przemieszcza się w kierunku rury zbiorczej. Kondensat powraca na dnie rury absorbera i ponownie odparowuje.
3 Kolektory słoneczne Viessmann
il. 3.8 Wysokowydajny kolektor płaski Vitosol 300-F
1
2
1
2
3
3
4
4
Biegnąca po całym obwodzie
gięta rama aluminiowa, dostępna
we wszystkich kolorach RAL
Stabilna, przezroczysta osłona
ze specjalnego szkła antyrefleksyjnego (AR)
Absorber z przewodami miedzianymi w formie wężownicy (meander)
Izolacja cieplna o wysokiej
skuteczności
3.3 Kolektory płaskie
Viessmann oferuje trzy typy kolektorów
płaskich o porównywalnej konstrukcji
podstawowej.
Vitosol 300-F / 200-F / 100-F
Obudowy kolektorów płaskich Vitosol składają
się z biegnącej po całym obwodzie ramy aluminiowej, w której wnętrzu umieszczony jest
pełnopowierzchniowy absorber. „Sercem”
kolektorów jest absorber, w Vitosol 300-F
i 200-F blacha absorbera pokryta jest warstwą
na bazie tlenków tytanu: Sol-Titan, a w 100-F
czarnym chromem. W kolektorach tych absor­
bery skutecznie pochłaniają promieniowanie
słoneczne i są odporne na tzw. starzenie, czyli
pracują z niemal niezmienną sprawnością
przez cały okres długoletniej eksploatacji.
il. 3.9 Absorber meandrowy
2
1
1
2
Kolektory Vitosol typ SV
do montażu pionowego
Kolektory Vitosol typ SH
do montażu poziomego
Rura miedziana w kształcie meandra jest na całej długości połączona z blachą absorbera.
Przewody miedziane absorbera mają kształt
meandra, co gwarantuje równomierny przepływ przez każdy kolektor i równomierne
odbieranie ciepła z całej powierzchni każdego
kolektora pracującego w instalacji. Płyta dna
jest w całości połączona z ramą kolektora.
Uszczelnienie szyby kolektora wykonane jest
bezszwowo z elastycznego materiału uszczelniającego, odpornego na warunki atmosferyczne i promieniowanie UV.
Kolektor płaski Vitosol 300-F jest wysokosprawnym kolektorem, który dzięki zastosowaniu szkła antyrefleksyjnego i wzmocnionej
izolacji cieplnej jest szczególnie efektywny
i umożliwia pozyskanie dużych ilości ciepła
słonecznego.
14/15
Prosty montaż
Kolektory płaskie Viessmann wyróżniają się
szczególnie prostym montażem. Zintegrowane rury zasilania i powrotu umożliwiają prosty i bezpieczny montaż nawet większych pól
kolektorów. Przy pomocy elastycznych, wykonanych ze stali nierdzewnej złączy wtykowych
z rur falistych można połączyć ze sobą do
dwunastu kolektorów wzgl. utworzyć z nich
pole kolektorów.
Łatwy w montażu system mocowań, ze
sprawdzonymi i odpornymi na korozję elementami ze stali nierdzewnej i aluminium, jest jednolity dla wszystkich kolektorów Viessmann.
Kolektory płaskie można stosować w sposób
uniwersalny – mogą być ustawione pionowo
lub poziomo, przystosowane są do montażu
na dachu, do wbudowania w połać dachu oraz
do montażu wolnostojącego (na przykład na
dachach płaskich). W przypadku montażu na
dachu opcjonalnie dostępne są osłony boczne
przyłączy hydraulicznych, które tworzą harmonijne przejście pomiędzy powierzchnią kolektora i powierzchnią dachu. Na życzenie można
otrzymać ramy we wszystkich kolorach RAL.
il. 3.10: Kolektor płaski Vitosol 300-F jest wysokowydajnym kolektorem, który szczególnie nadaje się do solarnego wspomagania ogrzewania budynków.
W przypadku instalacji pionowej, na przykład na elewacji, dla osiągnięcia optymalnych uzysków energii zaleca się zwiększenie
powierzchni kolektora o 20 procent w porównaniu ze zwykłym montażem na dachu.
Kolektor wielkopowierzchniowy
Viessmann oferuje kolektory wielkopowierzchniowe do zabudowy w dachu, co
stanowi wizualnie szczególnie interesujące
rozwiązanie. W zależności od celu zastosowania i zapotrzebowania na powierzchnię,
do dyspozycji są różne modele. Inną zaletą
tego typu kolektora jest szybki montaż dzięki
zintegrowanemu orurowaniu i zmontowanej
fabrycznie ramy do osadzenia w dachu.
Dla uzyskania optymalnego efektu wizualnego
ramy i elementy obróbki blacharskiej mogą
być dostarczone we wszystkich kolorach RAL.
il. 3.11 Kolektor wielkopowierzchniowy Vitosol 200-F, typ 5DIA
3 Kolektory słoneczne Viessmann
il. 3.12 Możliwości montażu kolektorów
A
B
D
A
Dach skośny
B
Elewacja/balustrada balkonu
C
Dach płaski
D
Dach płaski – montaż
poziomy (tylko Vitosol 200-T)
E
Montaż wolnostojący
C
E
W zależności od rodzaju kolektora
możliwe są różne sposoby montażu.
W ten sposób dla każdego obiektu
można dobrać odpowiedni kolektor
z optymalnie pasującą techniką jego
zamocowania.
3.4 Montaż kolektorów
Z uwagi na różnorodne formy konstrukcji kolektory słoneczne instalowane są w prawie
wszystkich rodzajach budynków – zarówno
w nowym budownictwie jak i podczas modernizacji budynku. Można je zamontować na
dachu skośnym, płaskim, na elewacji lub jako
konstrukcja wolnostojąca.
Kolektor i jego system mocowania tworzą
przy tym dopasowaną do siebie konstrukcję.
Viessmann posiada w swoim programie kompletne i sprawdzone systemy dla wszystkich
powszechnie występujących typów dachów
oraz pasujące do wszystkich kolektorów Vitosol – oznacza to największą pewność i bezpieczeństwo przy projektowaniu i wykonaniu
instalacji.
Ustawienie kolektora
Najwięcej użytecznej energii grzewczej z kolektora możemy uzyskać wtedy, kiedy promienie słoneczne padają pod kątem prostym
na powierzchnię absorbującą promieniowanie
słoneczne – na absorber kolektora. Ponieważ
w naszej szerokości geograficznej promienie słoneczne nigdy nie padają prostopadle,
­można temu „zaradzić" poprzez odpowiednie
nachylenie płaszczyzny kolektora lub samego
absorbera. Przykładowo, płaszczyzna ustawiona do poziomu pod kątem 35º, skierowana
w kierunku południowym, pozyska ok. 12%
więcej energii słonecznej w porównaniu
do tej samej powierzchni położonej poziomo
– o ­kącie­nachylenia do poziomu wynoszącym 0º.
16/17
Dodatkowo, obok nachylenia ważną rolę przy
wykorzystywaniu energii słonecznej odgrywa
również ustawienie powierzchni absorbującej
promieniowanie. Na półkuli północnej optymalne jest ustawienie (skierowanie) w kierunku południowym. Odchylenia powierzchni
absorbującej promieniowanie od ustawienia
w kierunku południowym określa się mianem
„kąta azymutu” (powierzchnia ustawiona
w kierunku południowym posiada kąt azymutu 0º).
Podsumowując można powiedzieć, że przy
ustawieniu kolektora pomiędzy południowym
wschodem i południowym zachodem i przy
kątach nachylenia pomiędzy 25º i 70º występują warunki optymalne dla zapewnienia
możliwie wysokich uzysków energii instalacji
solarnej. Większe odchylenia, na przykład
instalacji solarnych usytuowanych na elewacjach, mogą być skompensowane odpowiednio większą powierzchnią kolektora.
il. 3.13 Nachylenie i ustawienie
0°
45°
90°
0%
+ 5%
+ 5%
+ 10 %
– 25%
– 25 %
– 20 %
południowy
zachód
południowy
wschód
południe
Odchylenie od napromieniowania
na powierzchnię poziomą (0º)
Napromieniowanie wobec powierzchni horyzontalnej zmniejsza się lub zwiększa w zależności od nachylenia i ustawienia
płaszczyzny odbiorczej (absorbującej promieniowanie).
Miejsca zacienione
Przy wyborze miejsca do montażu należy starannie zadbać o to, aby budynki lub drzewa nie
mogły rzucać cienia na kolektor. Dlatego, rozpatrując to w kontekście kolektora skierowanego w kierunku południowym, obszar pomiędzy południowym wschodem i południowym
zachodem powinien być wolny od cienia, a kąt
w stosunku do horyzontu nie może być większy niż 20º. Trzeba też pamiętać, że instalacja
będzie pracować ponad 20 lat i że drzewa mogą w tym czasie trochę urosnąć.
il. 3.14 Zacienienie (widok z góry)
il. 3.15 Zacienienie (widok z boku)
Strefa niezacieniona
Strefa niezacieniona
20°
Przy wyborze miejsca do montażu kolektorów można tolero-
Pamiętając o 20-letnim okresie użytkowania trzeba również
wać zacienienie tylko w godzinach rannych lub wieczornych.
uwzględnić spodziewane zacienienie.
3 Kolektory słoneczne Viessmann
il. 3.16 Montaż na dachu
Czy to będzie montaż na dachu czy
też integracja z dachem – w każdym przypadku kolektory muszą
być montowane w sposób pewny
konstrukcyjnie i z uwzględnieniem
szczelności przeciwdeszczowej.
W przypadku systemów montażowych Viessmann wszystkie komponenty do montażu są dokładnie
dostosowane do tych wymagań.
il. 3.17 Mocowanie na dachu
Mocowanie
Oprócz integracji z dachem większość kolektorów montowana jest równolegle do dachu,
na pokryciu dachu (montaż na dachu).
Montaż na dachu
Przy montażu kolektorów słonecznych na
dachu najważniejsze jest bezpieczne i statyczne posadowienie płyt kolektorów. Punktem
mocowania kolektora do dachu są wstawione
haki lub klamry. Koniecznie należy zadbać
o warunki szczelności i hermetycznego zakotwienia, ponieważ punkty mocowania lub
ewentualne nieszczelności nie będą widoczne pod kolektorami.
Wykonanie mocowania zależne jest od spodziewanego obciążenia wiatrem lub śniegiem.
W wytycznych projektowych kolektorów Vitosol zamieszczone są w tym celu dokładne
dane dla każdego typu kolektora.
Technika mocowania kolektorów
Viessmann zapewnia niezawodne
połączenie z krokwią.
W przypadku montowania kolektorów na dachu oryginalny system
mocowania bez problemów spełnia
wymagania w zakresie bezpieczeństwa konstrukcyjnego i szczelności
przeciwdeszczowej.
Oba rodzaje zamocowania (haki i klamry
dachowe) zapewniają pewne połączenie na
krokwiach dachu. Mocowanie do istniejących
już łat dachu jest nieodpowiednie, wówczas
jakość i wytrzymałość może być kwestionowana, przy umocowaniach na listwach
dachowych dostępnych na rynku nie da się
stworzyć całkowitej stateczności. System
montażu musi być odpowiednio przystosowany (przerobiony).
18/19
il. 3.18 Integracja z dachem
Integracja z dachem
W przypadku integracji z dachem kolektor
płaski instalowany jest zamiast pokrycia dachu.
A więc, kolektor spoczywa bezpiecznie na całej
konstrukcji składającej się z łat i krokwi.
il. 3.19 Zabudowa kolektorów w połaci dachu
Dla bezpiecznego odprowadzania wód deszczowych wbudowuje się poniżej kolektora
dodatkową płaszczyznę uszczelniającą. W ten
sposób, również w razie pęknięcia szyby lub innych uszkodzeń kolektora unika się przenikania
wody do budynku.
Ramy i elementy obróbek blacharskich kolektorów Viessmann, podobnie jak i obudowy
przyłączeniowe są dostępne we wszystkich
kolorach RAL, co pozwala na wykonanie harmonijnego przejścia pomiędzy powierzchnią
kolektora i dachem.
il. 3.20 Kolektor jako kolorystycznie dopasowany element dachu
4 Zastosowania
Zastosowania
W niniejszym rozdziale znajdą Państwo podstawy projektowania instalacji solarnych
do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), solarnego wspomagania ogrzewania
i do ogrzewania wody basenowej.
4.1 Pomoce do projektowania
Dla szczegółów projektowych, jakie są potrzebne do zaplanowania konkretnej instalacji,
nasi partnerzy rynkowi mają do dyspozycji
wiele środków pomocniczych.
Przeglądarka schematów firmy Viessmann
Dla potrzeb zaplanowania instalacji przeglądarka schematów firmy Viessmann oferuje
kompleksowe rozwiązania systemowe.
Po zalo­gowaniu do portalu Viessmann w Strefie Projektanta udostępniony jest program
Schemen-Browser. Można tutaj, przy pomocy
funkcji szczegółowego wyszukiwania znaleźć
pasujący schemat instalacji dla połączenia różnych źródeł ciepła i dla oczekiwanego sposobu użytkowania. Przeglądarka schematów jest
do dyspozycji naszych partnerów rynkowych
na stronie internetowej firmy Viessmann bezpłatnie po zalogowaniu.
il. 4.1 Przeglądarka schematów firmy Viessmann
Podręcznik schematów firmy Viessmann
W podręczniku schematów firmy Viessmann
znajdują się opisy najbardziej popularnych
kombinacji różnych źródeł ciepła z instalacjami
solarnymi. Do każdego schematu znajdą Państwo kompletny opis działania, odpowiedni
schemat połączeń elektrycznych oraz specyfikację.
il. 4.2 Podręcznik schematów firmy Viessmann
Schematy instalacji 2012
Kotły stojące do 63 kW (100) kW

 Kotły wiszące
 Kotły na paliwo stałe
 Kolektory słoneczne
 Zasada działania
Schematy hydrauliczne
Podzespoły
Połączenia elektryczne
20/21
ESOP
Do projektowania instalacji Viessmann
udostępnia dwa programy obliczeniowe:
do pierwszej, szybkiej orientacji można wykorzystywać wariant online programu ESOP na
stronie internetowej firmy Viessmann, zaś do
dokładnych obliczeń nasi partnerzy rynkowi
otrzymują od pracowników oddziałów handlowych Viessmanna program ESOP w wersji
offline.
il. 4.3 ESOP
4.2 Podstawy projektowania
Wskaźnik pokrycia solarnego
Istotnym kryterium przy projektowaniu instalacji solarnej jest wskaźnik pokrycia solarnego.
Wskaźnik ten określa ile procent potrzebnej
energii, dla przewidzianego zapotrzebowania,
dostarczy system kolektorów w określonym
przedziale czasu (najczęściej przyjmuje się
1 rok). Im wyższe jest pokrycie solarne, tym
mniej energii trzeba dostarczyć z instalacji
konwencjonalnej.
Podstawą obliczenia wskaźnika pokrycia solarnego jest zawsze ilość ciepła, jaka jest rocznie
dostarczana przez poszczególne źródła ciepła
(a nie ich wydajność).
Właściwy kompromis między wydajnością,
a wskaźnikiem pokrycia jest tak samo istotny
jak dobry kompromis pomiędzy kosztami
instalacji solarnej, a zaoszczędzoną energią
konwencjonalną.
trzeba znaleźć kompromis
pomiędzy wskaźnikiem pokrycia,
a wydajnością kolektora.
il. 4.4 Wskaźnik pokrycia solarnego (podgrzew c.w.u.)
Wskaźnik pokrycia solarnego w %
W Polsce powszechnie przyjmuje się wskaźnik solarnego pokrycia zapotrzebowania na
poziomie 50-60% na potrzeby ogrzania wody
w domkach jednorodzinnych, zaś w dużych
instalacjach solarnych na poziomie 30-40%.
Przy wspomaganiu centralnego ogrzewania
przez instalacją solarną trudno o podanie
standardowych wartości, ponieważ wskaźnik
pokrycia zależy od energetycznej jakości wykonania budynku (izolacji, szczelności itd.)
Dla każdej instalacji solarnej
70
A
60
50
B
40
30
20
10
300
350
400
450
500
550
Ilość ciepła (uzysk energii) w kWh/(m · a)
2
600
A
Małe instalacje
B
Duże instalacje
4 Zastosowania
il. 4.5 Instalacja do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)
1
5
3
1 Kolektor słoneczny
2 Pompa obiegu solarnego
2
3 Pojemnościowy
podgrzewacz c.w.u.
4 Kocioł grzewczy
5 Obieg grzewczy
4
W standardowym rozwiązaniu instalacji solarnej stosowany jest biwalentny pojemnościowy podgrzewacz
c.w.u., który jest ogrzewany przez
dwa źródła ciepła. Jest to dobre
połączenie oszczędności energii
i bezpieczeństwa zasilania.
4.3 Instalacja do podgrzewania ciepłej
wody użytkowej
Biwalentny pojemnościowy podgrzewacz
c.w.u. ogrzewany jest przez dwa źródła ciepła.
Część górną podgrzewa kocioł grzewczy. Zaś
drugi wymiennik ciepła, który jest zabudowany w dolnej części zbiornika ogrzewany jest
przez instalację solarną tylko wtedy, kiedy
pomiędzy czujnikiem temperatury kolektora
i czujnikiem temperatury zbiornika zostanie
zmierzona różnica temperatur, która będzie
większa niż wartość ustawiona na regulatorze
– dopiero wtedy zostanie włączona pompa
obiegu solarnego.
Przy projektowaniu instalacji kolektorów do
podgrzewu c.w.u. w domach jedno- i dwurodzinnych przyjmuje sie pokrycie solarne
wynoszące około 60 procent. W ten sposób
uzyskuje się w lecie prawie pełne pokrycie,
tzn. ciepło potrzebne do ogrzewania wody
użytkowej, przez większość dni będzie dostarczane wyłącznie przez kolektory słoneczne
(bez dogrzewania kotłem grzewczym). Niewykorzystane nadmiary ciepła mieszczą się w akceptowalnych granicach, użytkownik wyraźnie
odczuwa uzysk energii z instalacji solarnej
i przez dłuższy okres czasu oszczędza na dogrzewaniu przez instalację konwencjonalną.
Wyraźnie wyższe pokrycie solarne do podgrzewania c.w.u. w domu jednorodzinnym,
które będzie przekraczało 60 procent, jest ze
względów technicznych i ekonomicznych nieuzasadnione.
Zapotrzebowanie c.w.u.
Aby móc zaprojektować instalację solarną,
trzeba najpierw znać zużycie ciepłej wody.
Ważne jest przy tym rozróżnienie pomiędzy
zapotrzebowaniem maksymalnym i obliczeniowym.
Zapotrzebowanie maksymalne stanowi podstawę do obliczenia bezpieczeństwa zasilania,
jest to wielkość charakterystyczna dla pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. i dla obliczenia mocy kotła grzewczego.
Dla uniknięcia błędnego wymiarowania,
w przypadku instalacji solarnej za podstawę
przyjmuje się zapotrzebowanie obliczeniowe
na c.w.u.. Określa ono spodziewane średnie
zużycie ciepłej wody w miesiącach letnich.
Jego wartość wynosi około połowy zapotrzebowania maksymalnego, na jakie została zaprojektowana konwencjonalna część instalacji.
22/23
il. 4.6 Zestawienie wartości obliczeniowych dla podgrzewania c.w.u.
Przyjęte założenia do projektowania:
Zużycie 30 litrów na osobę przy 60°C.
Jeśli zużycie na osobę jest wyraźnie wyższe, wtedy
projektowanie odbywa się na podstawie wyboru ilości litrów
Liczba
Zapotrzebowanie
Biwalentny
Kolektor
osób
na ciepłą wodę
pojemnościowy
Vitosol-F
Vitosol-T
60°C w litrach
podgrzewacz c.w.u.
Liczba
Powierzchnia
2 × SV / 2 × SH
1 × 3 m2
2 × SV / 2 × SH
1 × 3 m2
2 × SV / 2 × SH
1 × 3 m2
2 × SV / 2 × SH
2 × 2 m2
2
60
3
90
4
120
5
150
6
180
3 × SV / 3 × SH
2 × 2 m2
8
240
4 × SV / 4 × SH
2 × 3 m2
10
300
4 × SV / 4 × SH
2 × 3 m2
12
360
5 × SV / 5 × SH
4 × 2 m2
15
450
6 × SV / 6 × SH
3 × 3 m2
300 litrów
400 litrów
500 litrów
na dzień.
Dla uzyskania pokrycia solarnego rzędu ok.
60 procent, w praktyce sprawdziła się formuła dwudniowa, tzn. zbiornik solarny powinien
pomieścić podwójną ilość spodziewanego
zapotrzebowania dziennego c.w.u. (w odniesieniu do zużycia obliczeniowego). Instalacja
kolektorów jest tak wymiarowana, żeby cała
pojemność zbiornika w słoneczny dzień mogła zostać podgrzana do co najmniej 60°C.
Pozwoli to na zaspokojenie potrzeb w dniu następnym, jeśli promieniowanie słoneczne byłoby słabsze. Z tego punktu widzenia określa
się stosunek pojemności zbiornika (podgrzewacza c.w.u.) do powierzchni kolektora.
od kierunku południowego), a kąt nachylenia
do poziomu znajduje się pomiędzy 25 a 55
stopni, wtedy na 100 l pojemności zbiornika
można przyjąć 1,5 m2 powierzchni kolektora
płaskiego lub 1,0 m2 kolektora rurowego. Dla
skompensowania mniejszego uzysku energii,
który będzie wynikał z niekorzystnego ustawienia lub nachylenia, można trochę zwiększyć powierzchnię kolektora.
il. 4.7
Biwalentny pojemnościowy podgrzewacz ciepłej wody użytkowej
Vitocell 100-B
Pojemność podgrzewacza c.w.u.
W Europie Środkowej w bezchmurny, słoneczny dzień jest do dyspozycji 5 kWh promieniowania na m2 powierzchni kolektora.
Aby tę ilość energii można było wykorzystać
w biwalentnym pojemnościowym podgrzewaczu c.w.u., w przypadku kolektorów płaskich
przyjmuje się co najmniej 50 l pojemności
zbiornika na m2 powierzchni kolektora, w przypadku kolektorów próżniowych rurowych jest
to 70 l na m2.
W odniesieniu do biwalentnych pojemnościowych podgrzewaczy c.w.u. w domu
jedno- i dwurodzinnych (przy wysokim
stopniu pokrycia) obowiązuje zasada: Jeżeli
powierzchnia kolektora jest ustawiona pomiędzy południowym wschodem i południowym
zachodem (maksymalne odchylenie 45 stopni
4 Zastosowania
il. 4.8 Instalacja do solarnego wspomagania ogrzewania budynku i c.w.u.
1
5
3
4
1 Kolektor
2 Pompa obiegu solarnego
2
3 Zasobnik kombi
4 Kocioł grzewczy
5 Obieg grzewczy
W przypadku instalacji służących do solarnego wspomagania ogrzewania stosuje się zasobniki buforowe,
tutaj jako zasobnik kombi ze zintegrowanym wymiennikiem ciepła do podgrzewania c.w.u., w formie zwiniętej
rury falistej ze stali nierdzewnej.
4.4 Instalacja do wspomagania
ogrzewania
Jeżeli pomiędzy czujnikiem temperatury kolektora i czujnikiem temperatury zasobnika
zostanie zmierzona różnica temperatury, która
przekroczy wartość ustawioną na regulatorze,
włącza się pompa obiegu solarnego i zasobnik kombi jest podgrzewany solarnie. W razie
potrzeby ogrzewanie górnej części zasobnika
przejmuje kocioł grzewczy.
W Niemczech wyraźnie ponad połowa
całkowitej powierzchni kolektorów jest zainstalowana w instalacjach solarnych, które
obok podgrzewania c.w.u. wspomagają także
ogrzewanie pomieszczeń. Solarne wspoma-
il. 4.9 Solarne wspomaganie ogrzewania
100
ganie ogrzewania jest zgodne z dzisiejszym
stanem wiedzy technicznej.
Zapotrzebowanie na energię (%)
75
A
50
E
A
Zapotrzebowanie na ciepło
budynku, od roku budowy
ok. 1984
B
Zapotrzebowanie na ciepło
budynku niskoenergetycznego
C
Zapotrzebowanie na ciepło do
podgrzewania c.w.u.
D
Uzysk energii słonecznej przy
5 m2 powierzchni absorbera
(kolektor płaski)
E
Uzysk energii słonecznej przy
15 m2 powierzchni absorbera
(kolektor płaski)
B
25
D
Lis
Gru
Paź
Wrz
Lip
Sie
Cze
Maj
Kwi
Lut
Mar
Sty
C
0
Wadą solarnego wspomagania ogrzewania są nadwyżki ciepła w lecie, które nie mogą być wykorzystane.
W przypadku wspomagania ogrzewania podaż
i popyt zachowują się odwrotnie względem
siebie. Patrząc na to z perspektywy przebiegu
roku, zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania jest najwyższe wtedy, kiedy promieniowanie słoneczne jest najmniejsze.
Możliwości solarnego wspomagania ogrzewania bez sezonowego magazynowania
energii są ograniczone, pełne pokrycie przez
instalację solarną zapotrzebowania na ciepło
w zimie jest niemożliwe. Instalacja solarna
nie może więc zastąpić konwencjonalnego
źródła ciepła, któremu z kolei nie można też
zmniejszać mocy.
24/25
Doświadczenie pokazuje, że osoby zainteresowane często błędnie oceniają możliwości
instalacji solarnej służącej do wspomagania
ogrzewania budynku. Dlatego podczas rozmowy z klientem należy możliwie jak najwcześniej skorygować błędne oceny i wyjaśnić,
jakie są realne możliwości, jeśli chodzi o solarne wspomaganie ogrzewania. W przypadku
modernizacji instalacji współczynniki pokrycia,
w odniesieniu do zapotrzebowania na energię
do podgrzewania c.w.u. i do ogrzewania pomieszczeń, są większe od 30 procent i zapotrzebowanie to można zaspokoić tylko poprzez
poniesienie bardzo wysokich nakładów na
urządzenia techniczne.
il. 4.10 Zestawienie wartości obliczeniowych dla wspomagania ogrzewania (EFH)
Liczba
Zapotrzebowanie Pojemność zasobnika Kolektor
osób
na ciepłą wodę
buforowego w litrach
60°C w litrach
Vitosol-F
Vitosol-T
Liczba
Powierzchnia
2
60
750
4 × SV / 4 × SH
2 × 3 m2
3
90
750
4 × SV / 4 × SH
2 × 3 m2
4
120
750 / 1000
4 × SV / 4 × SH
2 × 3 m2
5
150
750 / 1000
4 × SV / 4 × SH
4 × 2 m2
6
180
750 / 1000
4 × SV / 4 × SH
4 × 2 m2
7
210
1000
6 × SV / 6 × SH
3 × 3 m2
8
240
1000
6 × SV / 6 × SH
3 × 3 m2
Tabela oferuje szybki przegląd
i dobór komponentów instalacji
do solarnego wspomagania
ogrzewania.
Tym samym instalacja solarna jest zawsze
częścią składową całościowego systemu,
w którym przecież też chodzi o najwyższą
efektywność konwencjonalnego źródła ciepła.
Zapotrzebowanie na ciepło w lecie
Podstawą wymiarowania solarnego wspomagania ogrzewania jest zawsze zapotrzebowanie na ciepło w lecie. Składa się ono z zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania c.w.u.
i ewentualnie innych, zależnych od obiektu
odbiorników, które także mogą być zasilane
przez instalację – jak na przykład ogrzewanie
pomieszczeń piwnicznych w lecie dla uniknięcia zjawiska kondensacji.
Dla tego zapotrzebowania na ciepło w lecie
dobiera się za pomocą tabeli obliczeniowej
(patrz il. 4.6) odpowiednią powierzchnię kolektora. Określoną w ten sposób powierzchnię
kolektora mnoży się teraz przez współczynnik
2 i 2,5 – pomiędzy tymi dwoma wynikami
znajdują się wartości dotyczące powierzchni
kolektora do solarnego wspomagania ogrzewania. Dokładne ich ustalenie dokonywane
jest potem z uwzględnieniem uwarunkowań
architektonicznych i wymiarów poszczególnych kolektorów.
Stosunek powierzchni kolektora do pojemności zasobnika określa się dokładnie tak
samo jak w przypadku instalacji służącej do
podgrzewania c.w.u. Na 1,5 m2 kolektora płaskiego lub 1,0 m2 kolektora rurowego można
przyjąć po 100 l pojemności zasobnika.
il. 4.11
Idealne rozwiązanie do solarnego
wspomagania ogrzewania: multiwalentny zasobnik buforowy wody
grzewczej ze zintegrowanym podgrzewaniem c.w.u. Vitocell 340-M
4 Zastosowania
il. 4.12 Urządzenie kompaktowe Vitosolar 300-F
Zintegrowane ogrzewanie Vitosolar 300-F
Kompleksowe współdziałanie instalacji solarnej i konwencjonalnego źródła ciepła wymaga
szczegółowego i starannego zaprojektowania.
Firma Viessmann stworzyła Vitosolar 300-F
specjalnie dla potrzeb solarnego wspomagania ogrzewania w domu jednorodzinnym.
Vitosolar 300-F jest bardzo wydajną jednostką służącą do solarnego wspomagania
ogrzewania i podgrzewania c.w.u. Jednostka
ta składa się z zasobnika kombi o pojemności
750 litrów z wstępnie orurowaną podstawą
do bezpośredniego montażu gazowego kotła
kondensacyjnego.
Na konsoli montażowej znajdują się już
wstępnie zamontowane: rozdzielacz obwodu grzewczego Divicon z zaworem mieszającym 3-drogowym i energooszczędną pompą,
stacja pompowa Solar-Divicon, zaizolowane
przewody rurowe i zawory odcinające. Układ
regulacji obejmuje wszystkie niezbędne
funkcje instalacji grzewczej i instalacji solarnej. Dla zbilansowania energii wyświetlacz
regulatora pokazuje uzysk energii solarnej.
Vitosolar 300- F jest wyposażony w bardzo
efektywne pompy o regulowanej prędkości
obrotowej (klasa efektywności energetycznej
A) dla obwodu grzewczego i solarnego.
Wymagania wobec instalacji ogrzewania
Szeroko rozpowszechnione jest błędne mniemanie, jakoby solarne wspomaganie ogrzewania było możliwe tylko przy ogrzewaniu
podłogowym. Uzyski energii w przypadku
ogrzewania grzejnikami są średniorocznie
tylko nieznacznie mniejsze. Powodem tego
niewielkiego zmniejszenia jest trochę wyższa
temperatura docelowa instalacji solarnej, która
zawsze jest określana przez temperaturę na
powrocie z obiegu grzewczego.
Porównując różne sposoby ogrzewania pomieszczeń, trzeba brać pod uwagę, że instalacja solarna ma dostarczać energię cieplną
do instalacji ogrzewania przede wszystkim
w okresach przejściowych. W tym czasie,
instalacje ogrzewania pracują z niższymi temperaturami wody grzewczej, od tych na jakie
zostały zaprojektowane. Woda powracająca
z instalacji, również w instalacji grzejnikowej,
może mieć niską temperaturę.
26/27
4.5 Baseny
Baseny dzieli się ze względu na ich przeznaczenie na trzy kategorie, z czego wynikają różne wymagania przy projektowaniu instalacji
solarnej:
• odkryte baseny bez ogrzewania konwencjonalnego (baseny w domach jednorodzinnych)
• odkryte baseny, w których temperatura
wody utrzymywana jest na określonym
poziomie (odkryte baseny publiczne, częściowo również baseny znajdujące się na
zewnątrz domów jednorodzinnych)
• baseny kryte, które są użytkowane przez
cały rok i temperatura utrzymywana jest na
określonym poziomie (kryte baseny publiczne i baseny w domach jednorodzinnych)
Temperatura utrzymywana jest to pożądana
temperatura minimalna wody w basenie, którą
gwarantuje urządzenie grzewcze.
Generalnie należy pamiętać o tym, aby zapotrzebowanie na energię basenu krytego utrzymywać na możliwie niskim poziomie.
Baseny odkryte bez konwencjonalnego
ogrzewania
W niedogrzewanych basenach odkrytych
w wyniku promieniowania słonecznego na
powierzchnię basenu powstaje swego rodzaju „naturalny przebieg temperatury”. Instalacja solarna nic nie zmienia w tym typowym
przebiegu temperatury, może jednak o kilka
stopni podwyższyć temperaturę podstawową.
Wielkość tego wzrostu temperatury zależna
jest od stosunku powierzchni basenu do powierzchni absorbera.
Ilustracja 4.14 przedstawia związek pomiędzy
stosunkiem powierzchni wzgl. powierzchni absorbera i wzrostem temperatury. Ze względu
na stosunkowo niskie temperatury kolektora
i czas użytkowania (lato) zastosowany typ kolektora nie ma wpływu na te wartości.
Z doświadczenia wiadomo, że już wzrost temperatury o 3 do 4 stopni Kelvina jest wystarczający do uzyskania odczuwalnej, przyjemnej temperatury kąpieli. Osiąga się to poprzez
zastosowanie takiej powierzchni kolektora,
której wielkość nie przekroczy połowy wielkości powierzchni basenu.
Podgrzewane baseny odkryte
Jeżeli temperatura wody w basenie jest
doprowadzana do wymaganego poziomu
i następnie utrzymywana za pomocą konwencjonalnej instalacji grzewczej, nie prowadzi to
praktycznie do żadnych zmian parametrów
eksploatacyjnych instalacji solarnej i ich wpływu na temperaturę basenu. Instalacja solarna
zapewnia wzrost temperatury o kilka stopni
powyżej wybranej (możliwie jak najniższej),
utrzymywanej temperatury wody i w ten sposób eliminuje w lecie potrzebę dogrzewania.
Ponieważ baseny odkryte są ogrzewane tylko
latem, instalacja kolektorów może w zimnych
porach roku służyć do wspomagania ogrzewania budynku. Dlatego racjonalne jest w tym
przypadku połączenie instalacji w system podgrzewania basenu, podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) i wspierania ogrzewania.
Dla zaprojektowania tego typu kombinacji, do
powierzchni kolektora służącego do podgrzewania wody w basenie dodaje się powierzchnię kolektora do podgrzewania c.w.u. Dodatki
do wsparcia ogrzewania nie są konieczne.
il. 4.14 Pomoce do projektowania
il. 4.13 Nieogrzewany basen odkryty
Podwyższenie temperatury wody
w basenie otwartym
25
20
15
10
5
0
Maj
Cze
Lip
Sie
Miejscowość: Würzburg
powierzchnia basenu: 40 m2, głębokość: 1,5 m
Basen osłonięty od wiatru, przykrywany na noc
Średni wzrost temperatury (K)
Średnia temperatura basenu (°C)
Typowy rozkład temperatury wody
w nieogrzewanym basenie odkrytym
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Stosunek powierzchni absorbera
do powierzchni lustra wody
1,2
Wskazówka
Przyłączenie instalacji
solarnej do pływalni
krytej jest zbyt złożone,
aby można się było tutaj
opierać na ogólnych
zasadach. Zamiast tego
konieczne jest przeprowadzenie całkowitej symulacji budynku. Można
to zrobić za pomocą programu do projektowania
ESOP.
5 Porady praktyczne
Porady praktyczne
Dzięki doświadczeniu dziesiątków lat Viessmann udostępnia dopracowaną technikę
systemową i wiedzę w skondensowanej formie.
Sam kolektor słoneczny, nawet najwyższej
jakości, nie gwarantuje jeszcze optymalnego
działania całej instalacji solarnej. Zależy to
raczej od optymalnego współdziałania wszystkich komponentów w ramach kompletnego
rozwiązania systemowego. Dopasowane do
siebie nawzajem komponenty systemowe firmy Viessmann gwarantują optymalną sprawność i wysokie bezpieczeństwo eksploatacji
instalacji grzewczej wspieranej przez instalację solarną.
Efektywność całego systemu zależy jednak
w głównej mierze również od wyposażenia
dodatkowego i rozwiązań w instalacji. W następnych rozdziałach znajdą Państwo ważne
porady dotyczące optymalnego funkcjonowania instalacji.
il. 5.1 Współdziałanie układów regulacji
1 Regulator Vitosolic lub moduł solarny
2 Regulator kotła
3 Pompa ładowania podgrzewacza
4 Pompa obiegu solarnego
4
1
2
D
3
Zwiększenie efektywności instalacji solarnej przez rozwiązania systemowe – optymalizacja dogrzewania c.w.u.
5.1 Dogrzewanie
Temperatura w konwencjonalnie dogrzewanej części pojemnościowego podgrzewacza
c.w.u. i wybrane czasy włączania dogrzewania mają duży wpływ na uzysk energii wzgl.
efektywność instalacji solarnej. Im woda
w podgrzewaczu ma wyższą temperaturę,
tym mniej „miejsca” ma instalacja solarna
na zasilenie systemu energią. Wskazane jest
więc, aby zwracać uwagę na ten aspekt i jednocześnie uwzględnić przy tym wymagania
odnośnie komfortu i higieny.
Dla zwiększenia efektywności instalacji
solarnej można tak długo opóźniać konwencjonalne dogrzewanie biwalentnego pojemnościowego podgrzewacza c.w.u., aż przestanie
być dostarczane ciepło solarne, a więc nastąpi
wyłączenie pompy obiegu solarnego (ograniczenie doładowania). Funkcja ta może być wykorzystywana we współdziałaniu z układami
regulacji kotła Vitotronic.
W układzie regulacji kotła nastawia się, jak
zwykle, temperaturę wymaganą dla ciepłej
wody użytkowej. Dodatkowo nastawia się
temperaturę minimalną. Jeśli teraz przy uaktywnionym ograniczeniu dogrzewania, zasobnik będzie ładowany solarnie, wtedy układ regulacji kotła pozwoli na obniżenie temperatury
ciepłej wody aż do nastawionej temperatury
minimalnej. Pojemnościowy podgrzewacz
c.w.u. będzie ogrzewany przez kocioł grzewczy dopiero wtedy, kiedy temperatura spadnie
również poniżej tej wartości minimalnej. Obowiązuje to również w przypadku pracującej
pompy obiegu solarnego.
28/29
il. 5.2 Przyłączenie cyrkulacji
2
A
Powrót cyrkulacji (lato)
Niezbędny przewód dla uniknięcia nadwyżki (przyrostu) temperatury latem
B
A
1
Powrót cyrkulacji (zima)
3
Temperatura na zasilaniu max 60°C
C
3
B
Wlot mieszacza wody użytkowej
Ułożenie przewodu na możliwie krótkim odcinku, gdyż zimą nie ma przepływu
C
Powrót cyrkulacji (błędny)
Powrotu cyrkulacji nie podłączać do części solarnej zbiornika
1
5.2 Przyłączenie cyrkulacji
Warunkiem efektywnego działania instalacji
solarnej jest jak najniższa temperatura wody
użytkowej w części zbiornika ogrzewanej
przez kolektory słoneczne. Do dolnej części
zbiornika nie można więc podłączyć cyrkulacji
wody użytkowej. Dlatego w przypadku pojemnościowych podgrzewaczy c.w.u. błędem jest
przyłączanie „z przyzwyczajenia” powrotu
cyrkulacji do dopływu zimnej wody. Do tego
celu należy raczej wykorzystać cyrkulacyjne
przyłącze zbiornika. W przeciwnym razie cały
zbiornik zostanie doprowadzony do temperatury powrotu cyrkulacji.
Przy podłączaniu cyrkulacji trzeba też
uwzględnić fakt, że ciepła woda w zbiorniku solarnym może osiągnąć temperatury
znacznie przekraczające 60°C, a więc musi
być zamontowany termostatyczny zawór mieszający.
Pompa cyrkulacyjna
2 Mieszacz wody użytecznej
3
Zawór zwrotny
5.3 Bezpieczne postępowanie
na wypadek stagnacji
Kolektor słoneczny wytwarza ciepło zawsze
wtedy, kiedy światło pada na absorber. Jeśli
odbiór ciepła w systemie przestaje już być
możliwy lub celowy, instalacja się wyłącza
i kolektor przechodzi w stan stagnacji. Uwarunkowany tym wzrost temperatury w kolektorze może łatwo doprowadzić do przekroczenia punktu wrzenia cieczy solarnej.
Spodziewane okresy stagnacji trzeba
uwzględniać przy projektowaniu zwłaszcza
tych instalacji, które będą służyły do solarnego wspomagania ogrzewania, ponieważ
il. 5.3 Stagnacja
Para może się rozprzestrzenić
w przewodach zasilającym
Ilustracja 5.2 przedstawia prawidłowe przyłączenie cyrkulacji w powiązaniu z termostatycznym zaworem mieszającym. Dla uniknięcia
nieprawidłowej cyrkulacji należy zamontować
zawór klapowy zwrotny na doprowadzeniu
zimnej wody do mieszacza wody użytkowej.
i powrotnym. Przeponowe
naczynie wzbiorcze instalowane
jest na przewodzie powrotnym,
za chłodnicą stagnacji.
2
1
1
Zawór zwrotny
2
Chłodnica
5 Porady praktyczne
w tego typu instalacjach stagnacja jest nieunikniona. Stagnację mogą jednak spowodować również usterki techniczne lub przerwa
w dopływie prądu.
Podczas stagnacji w instalacji solarnej powstają najwyższe temperatury i ciśnienia.
Dlatego układ stabilizacji ciśnienia i urządzenia
zabezpieczające projektowane są z uwzględnieniem takiej sytuacji. Ważne przy tym jest,
aby unikać uszkodzeń elementów instalacji,
które mogą powstać wskutek pary, jaka wytwarza się podczas stagnacji w kolektorze
i jest tłoczona do przewodów rurowych.
Viessmann opracował dla swoich partnerów
handlowych oprogramowanie SOLSEC, za pomocą którego łatwo można łatwo obliczyć rozprzestrzenianie się pary w systemie i ewentualne niezbędne środki zapobiegawcze – na
przykład zastosowanie chłodnicy stagnacyjnej.
Dzięki programowi można też łatwo zaprojektować układ stabilizacji ciśnienia, ponieważ
objętość nominalna i ciśnienie przed przeponowym naczyniem wzbiorczym są również
wynikiem funkcji programu obliczeniowego.
SOLSEC można również pobrać ze strony internetowej firmy Viessmann, dział partnerów
handlowych.
5.4 Odpowietrzanie
Warunkiem bezawaryjnego i efektywnego
działania instalacji solarnej jest również właściwe jej odpowietrzanie. Powietrze generuje
szumy w instalacji i jednocześnie zagraża
bezpiecznemu przepływowi czynnika solarnego przez kolektor, bądź przez pojedyncze
pola kolektorów. Proces ten przyspiesza utlenianie organicznych związków znajdujących
się w czynnikach grzewczych, tj. mieszance
wody z glikolem.
W celu usunięcia powietrza z obiegu kolektorów używa się odpowietrzników, otwieranych
i zamykanych ręcznie jak i tych automatycznych. Do automatycznych należą szybki odpowietrznik i separator powietrza. Solarny
czynnik grzewczy odpowietrza się dłużej, niż
woda. Podczas napełniania instalacji grzewczej, w kolektorach znajduje się powietrze.
To powietrze podczas napełniania jest wypierane przez czynnik solarny. Część powietrza
w postaci pęcherzyków porywana jest przez
czynnik solarny i dopiero później jest ono usuwane. Powietrze gromadzi się w górnej części obiegu kolektorów lub tworzy poprzeczne
poduszki powietrzne w rurociągach. Inaczej,
niż ma to miejsce w instalacjach grzewczych,
odpowietrzanie podczas pracy instalacji nie
może się odbywać w najwyższym punkcie
instalacji, a więc przy kolektorze. W przeciwnym razie, w przypadku stagnacji doszłoby
w tym miejscu do uwolnienia płynu solarnego w formie gazu.
Odpowietrzanie lub odgazowanie obwodu
solarnego można najprościej zrealizować
poprzez zamontowanie separatora powietrza
w kotłowni, najlepiej na zasilaniu przed wlotem do zasobnika.
il. 5.4 Odpowietrzanie
2
1
1
Separator powietrza
2 Automatyczny odpowietrznik
30/31
5.5 Układ regulacji
Układ regulacji zapewnia bezpieczne
i efektywne współdziałanie całego systemu grzewczego. Przy ogrzewaniu wody użytkowej, regulator mierzy temperaturę kolektora
i w odbiorniku ciepła (zbiorniku c.w.u.). Pompa
obiegu solarnego pozostaje wyłączona, dopóki różnica temperatur pomiędzy kolektorem,
a zbiornikiem nie przekroczy ustawionej
wcześniej wartości (próg załączania). Jeśli
różnica temperatur spadnie do drugiej ustawionej wartości (próg wyłączania), pompa
jest wyłączana. Różnica pomiędzy progami
załączenia i wyłączenia nazwana jest histerezą. Próg załączenia pompy solarnej musi być
tak dobrany, aby transport ciepła z kolektora
do zbiornika był opłacalny. Oznacza to, że
w wymienniku ciepła musi być duża różnica
temperatur pomiędzy solarnym czynnikiem
grzewczym, a wodą w zbiorniku. Poza tym
układ nie może zostać wyłączony zbyt szybko
od momentu uruchomienia np. podczas rozruchu instalacji kiedy zimny czynnik solarny
wraca do kolektora obniżając jego temperaturę. Dodatkowo układ regulacji oferuje wiele
innych funkcji, gwarantujących bezpieczną
eksploatację instalacji.
Jeśli instalacja kolektorów ma współpracować
z nowym urządzeniem grzewczym firmy Viessmann, wtedy sterowanie pracą instalacji solarnej może realizować regulator kotła. Regulatory Vitotronic są wyposażone we wszystkie
niezbędne funkcje instalacji solarnej i tym samym gwarantują jej optymalne współdziałanie
z kotłem grzewczym. Komponenty instalacji
solarnej przyłączane są do systemu z modułem regulacji SM1.
W celu doposażenia istniejących kotłów
grzewczych w instalację solarną lub dla bardziej złożonych systemów, Viessmann oferuje rodzinę regulatorów Vitosolic.
il. 5.5 Zasada regulacji instalacji solarnej
1. Ogrzewanie kolektora słonecznego
2. Ogrzewanie pojemnościowego podgrzewacza c.w.u.
Regulator solarny dba o efektywne wykorzystanie ciepła. Tylko gdy się to opłaca, ciepło zostaje przetransportowane z kolektora do zbiornika.
3. Magazynowanie ciepła
Viessmann sp. z o.o.
ul. Karkonoska 65
53-015 Wrocław
tel. 71/ 36 07 100
Infolinia: 801 0801 24
www.viessmann.pl
9446 182 -3 PL 10/2012
Treści chronione prawem autorskim.
Kopiowanie i rozpowszechnianie tylko za zgodą posiadacza praw autorskich.
Zmiany zastrzeżone. Opracowanie: [email protected] + [email protected]